資源簡介

1.2《庫侖定律》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 粵教版高中物理必修第三冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于粵教版高中物理必修第三冊第一章第二節，是靜電學的奠基性規律之一。教材通過回顧電荷間的相互作用現象，引入庫侖定律的實驗基礎，并借助類比萬有引力定律的方式，幫助學生理解點電荷模型和庫侖力的定量表達式。內容邏輯清晰，從定性觀察到定量探究，體現了物理學“提出問題—實驗驗證—數學建模”的研究路徑。本節為后續學習電場強度、電勢能等概念打下堅實基礎，在整個電磁學知識體系中具有承前啟后的關鍵地位。
學情分析
高二學生已具備一定的力學基礎知識，特別是對牛頓定律和萬有引力定律較為熟悉，這為類比學習庫侖定律提供了認知支架。同時，學生在初中階段已了解電荷的基本性質及同種相斥、異種相吸的現象，具備初步的靜電感性認識。但學生對微觀帶電體的作用機制仍存在模糊認知，且“點電荷”這一理想化模型的理解存在一定抽象性。此外，靜電力與距離平方成反比的關系不易直觀感知，需借助實驗演示和數據分析加以突破。因此，教學中應注重情境創設、實驗觀察與數學推理相結合，引導學生實現從現象到本質的認知躍遷。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解庫侖定律的內容及其適用條件，掌握真空中兩個點電荷之間靜電力大小的計算公式F = kQ Q /r ，并能正確應用該公式進行定量計算。
2. 認識點電荷的理想化模型，理解其在實際問題中的近似意義，建立電荷間相互作用的定量物理圖景。
科學思維
1. 通過分析庫侖扭秤實驗的設計原理，體會控制變量法、放大微小量等科學方法在物理規律發現中的重要作用，提升邏輯推理與模型建構能力。
2. 能將庫侖定律與萬有引力定律進行類比分析，歸納兩者在形式上的相似性與本質上的差異性，發展比較、歸納與批判性思維能力。
科學探究
1. 觀察并描述庫侖扭秤實驗的關鍵步驟與現象，嘗試解釋其實驗設計的巧妙之處，培養基于證據進行推理的能力。
2. 在教師引導下參與模擬實驗數據分析過程，體驗從實驗數據中歸納物理規律的基本流程，增強實證意識。
科學態度與責任
1. 感受庫侖在缺乏現代測量工具條件下探索自然規律的嚴謹態度與創新精神，激發尊重科學、追求真理的情感共鳴。
2. 認識靜電現象在生活中的廣泛存在及其潛在影響（如靜電除塵、靜電危害），樹立將物理知識應用于社會生活的責任感。
教學重點、難點
重點
1. 掌握庫侖定律的表達式F = kQ Q /r ，明確各物理量的含義及單位。
2. 理解點電荷的概念及其適用條件，能夠判斷何時可將帶電體視為點電荷。
難點
1. 理解庫侖扭秤實驗如何精確測量微小靜電力，尤其是扭轉角度與力矩之間的關系。
2. 區分庫侖力與萬有引力在數量級、作用范圍及屏蔽特性等方面的本質差異，避免概念混淆。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、講授法、合作探究法、類比分析法
教具準備
多媒體課件、庫侖扭秤實驗視頻、靜電小球演示裝置、激光筆、直尺、計算器
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、重現歷史場景，引發認知沖突。 （一）、播放動畫短片：18世紀歐洲實驗室夜景。
畫面呈現燭光搖曳下的法國科學家查爾斯·奧古斯丁·庫侖，他正專注地調試一臺精密儀器——一根細長的金屬絲懸掛著一根橫桿，兩端各固定一個小金屬球。此時，另一個帶電小球緩緩靠近其中一個懸球，橫桿發生極其微小的偏轉。旁白響起：“1785年，沒有電子秤，沒有高速攝像機，如何測量兩個帶電小球之間看不見的力？”
提問引導：“同學們，如果我們想研究兩個帶電物體之間的吸引力或排斥力有多大，會遇到哪些困難？比如，這個力可能非常微弱，我們肉眼幾乎看不到變化，該怎么測？”
等待學生思考后補充：“正是在這種困境下，庫侖發明了‘扭秤’，用極其巧妙的方法把微小的靜電力轉化為可以測量的角度變化。今天，我們就一起走進這段科學史，揭開庫侖定律的神秘面紗。”
（二）、演示簡易靜電排斥現象。
取兩個輕質泡沫小球，用絲線懸掛于鐵架臺上，間距約20厘米。先用毛皮摩擦橡膠棒使其帶電，再分別接觸兩個小球，使其帶上同種電荷。觀察到兩球因相互排斥而分開一定角度。用直尺粗略測量分離距離，并用手持風扇輕輕吹動空氣，觀察小球擺動情況。
追問：“剛才我們看到兩個帶電小球彼此推開，說明它們之間存在斥力。那么，這個力的大小可能與哪些因素有關呢？請大家結合剛才的實驗現象和已有知識進行猜想。”
預設學生回答方向：可能與電荷量多少有關；可能與兩球之間的距離有關；可能與介質有關……
總結過渡：“大家的猜想很有價值！事實上，庫侖當年也正是從這些方面入手的。接下來，讓我們看看他是如何通過實驗一一驗證這些猜想的。” 1. 觀看動畫，感受科學探索的歷史情境。
2. 思考測量微小力的技術難題。
3. 觀察靜電排斥實驗現象。
4. 提出關于靜電力影響因素的合理猜想。
評價任務 猜想合理：☆☆☆
表達清晰：☆☆☆
參與積極：☆☆☆
設計意圖 通過歷史情境再現與真實實驗演示雙線并進，激發學生好奇心與探究欲。以“如何測量微小力”為核心問題驅動，促使學生主動思考實驗設計的挑戰，為理解扭秤原理做好鋪墊。同時，鼓勵學生基于現象提出假設，體現科學探究始于問題的本質。
新知構建
【18分鐘】 一、解析扭秤實驗，揭示平方反比律。 （一）、播放高清慢動作視頻：庫侖扭秤實驗全過程。
視頻展示扭秤結構：玻璃罩內，銀絲懸掛水平輕桿，兩端各有一帶電小球A和B；外部可移動帶電球C靠近B。當C逐漸接近B時，由于同種電荷相斥，B被推開，導致橫桿轉動，銀絲發生扭轉。鏡頭特寫扭轉角度的刻度盤讀數。隨后，改變C與B的距離d，記錄每次對應的扭轉角θ。重復多次實驗，獲得一組(d, θ)數據。
講解同步推進：“注意看，這里的扭轉角θ實際上反映了靜電力的大小——因為銀絲的扭轉恢復力矩與θ成正比，而平衡時靜電力矩也等于此值，所以θ∝F。也就是說，扭轉角越大，表示靜電力越強。”
展示教材中典型實驗數據表：
距離 r (cm) 3618129扭轉角 θ (°) 4163664
引導學生計算r 與θ的關系：“請同學們計算每組數據的r 值，并觀察θ與r 之間是否存在某種規律？”
待學生發現θ ∝ 1/r 后進一步指出：“由于θ∝F，因此得出F ∝ 1/r 。這就是著名的‘平方反比律’，它與牛頓萬有引力定律的形式驚人地一致！”
（二）、探究電荷量對力的影響。
繼續播放視頻片段：庫侖采用“平分電荷法”解決電荷量無法直接測量的問題。他讓一個帶電金屬球與另一個完全相同的不帶電金屬球接觸，從而使原電荷平均分配。例如，初始電荷為q，接觸后每個球帶電q/2；再次接觸可得q/4，以此類推。
展示第二組實驗數據：
電荷組合 (Q , Q )(q, q) (q, q/2)(q/2,q/2) (q,q/4)扭轉角 θ (°)361899
提問：“請分析這組數據，當保持距離不變時，靜電力F（即θ）與兩個電荷量的乘積Q Q 有什么關系？”
引導學生計算各組Q Q 相對值：(q , q /2, q /4, q /4)，對比θ值發現F ∝ Q Q 。
小結：“綜合以上兩部分實驗結果，庫侖最終得出了靜電力的完整表達式。” 二、提煉定律內容，建立數學模型。 （一）、正式提出庫侖定律。
在黑板中央書寫：
F = kQ Q /r
逐項解釋：
F 表示兩個點電荷之間的靜電力，單位為牛頓(N)；
Q 和 Q 分別表示兩個點電荷的電荷量，單位為庫侖(C)；
r 是兩點電荷之間的距離，單位為米(m)；
k 是靜電力常量，其數值為 8.99 × 10 N·m /C ，通常取 9.0 × 10 N·m /C 進行估算。
強調：“這個公式只適用于真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用。”
（二）、深入剖析“點電荷”概念。
提問：“什么是點電荷？是不是體積很小的帶電體就是點電荷？”
舉例說明：地球半徑約6400km，但在研究地球繞太陽公轉時，因其尺寸遠小于日地距離（約1.5億公里），可將其視為質點。同理，若兩個帶電小球的直徑僅為1cm，而它們之間的距離為1m，則也可將它們近似看作點電荷。
給出定義：所謂點電荷，是指當帶電體本身的線度遠小于它們之間的距離時，可以忽略其形狀和大小，將其視為集中于一點的電荷。這是一種理想化的物理模型，如同質點一樣，在實際問題中具有重要應用價值。
反例辨析：如果兩個帶電體靠得很近，甚至發生形變或電荷重新分布，則不能視為點電荷，此時庫侖定律不再準確適用。 1. 觀看視頻，理解扭秤工作原理。
2. 分析實驗數據，歸納F與r、Q的關系。
3. 理解庫侖定律表達式的各項含義。
4. 掌握點電荷模型的適用條件與判斷方法。
評價任務 數據分析：☆☆☆
公式理解：☆☆☆
模型辨析：☆☆☆
設計意圖 通過高清視頻還原經典實驗細節，使學生直觀感受科學探究的精密與智慧。利用真實實驗數據引導學生動手計算、歸納規律，經歷“從實驗到理論”的完整建構過程。通過類比“質點”模型，幫助學生理解“點電荷”的抽象性與實用性，強化物理建模思想。整個環節層層遞進，兼顧知識傳授與思維訓練。
深化理解
【12分鐘】 一、開展類比分析，辨析本質差異。 （一）、組織小組討論：庫侖力 vs 萬有引力。
投影對比表格：
比較項目庫侖力萬有引力力的性質吸引或排斥只有吸引 決定因素電荷量Q 、Q 質量m 、m 依賴關系F ∝ Q Q /r F ∝ m m /r 常量 k ≈ 9×10 N·m /C G ≈ 6.67×10 N·m /kg 屏蔽性可被導體屏蔽 不可屏蔽
分組任務：“請各小組任選三個比較項展開討論，并舉例說明其在現實生活中的體現。例如，為什么我們可以用金屬籠保護精密儀器免受外界電場干擾，卻無法隔絕地球的引力？”
巡視指導，鼓勵學生聯系手機信號屏蔽袋、避雷針、太空失重等實例。
（二）、計算實例對比，感受數量級差異。
出示題目：假設有兩個質量均為1kg、相距1m的鐵球，每個鐵球所帶凈電荷為1C（現實中極難實現）。分別計算它們之間的萬有引力和靜電力。
引導全班共同計算：
F引 = G m m / r = (6.67×10 )(1)(1)/(1) ≈ 6.67×10 N
F電 = k Q Q / r = (9×10 )(1)(1)/(1) = 9×10 N
比較結果：F電 / F引 ≈ 1.35×10 ，即靜電力是萬有引力的約10 倍！
驚嘆語：“哪怕只攜帶極少量凈電荷，靜電力也會遠遠超過引力。這也解釋了為何日常生活中摩擦起電就能輕易克服重力吸附紙屑。”
二、辨析易錯情境，糾正思維誤區。 （一）、設置判斷題，組織搶答。
1. “只要兩個帶電體體積很小，就可以當作點電荷處理。”（錯誤）
2. “庫侖定律適用于任何介質中的電荷相互作用。”（錯誤，真空中最準確，介質中需修正）
3. “兩個電荷間的庫侖力總是大小相等、方向相反，符合牛頓第三定律。”（正確）
4. “若將兩電荷間距離增加為原來的2倍，則庫侖力變為原來的1/2。”（錯誤，應為1/4）
每題回答后要求學生說明理由，教師及時點評糾偏。
（二）、拓展思考：非直線排列電荷系統的合力計算。
提出問題：“如果有三個點電荷A、B、C不在同一直線上，如何求其中一個電荷所受的總靜電力？”
提示：“靜電力是矢量，遵循平行四邊形定則。我們可以先分別計算其他兩個電荷對它的作用力，再進行矢量合成。”
簡要演示三角形構型下的力的分解與合成思路，為下一節課《電場強度疊加》埋下伏筆。 1. 參與小組討論，完成對比表格。
2. 進行數值計算，體會力的數量級差異。
3. 搶答判斷題，辨析常見誤區。
4. 初步感知靜電力的矢量合成方法。
評價任務 類比準確：☆☆☆
計算正確：☆☆☆
辨析清晰：☆☆☆
設計意圖 通過系統類比，幫助學生在已有知識基礎上構建新的認知網絡，深化對庫侖力獨特屬性的理解。通過震撼的數量級對比，打破“引力主導一切”的直覺誤區，建立正確的物理直覺。設置典型判斷題旨在暴露并糾正常見錯誤觀念，提升思維嚴謹性。最后引入矢量合成思想，既鞏固當前知識，又自然銜接后續內容，體現知識的整體性與連貫性。
課堂小結
【6分鐘】 一、結構化回顧核心知識點。 （一）、師生共同梳理知識脈絡。
教師引導：“今天我們沿著庫侖的足跡，完成了對靜電力的定量探索。首先，我們通過扭秤實驗發現了什么規律？”
學生回應：“力與距離平方成反比，與電荷量乘積成正比。”
繼續追問：“據此建立了哪個重要定律？其適用條件是什么？”
學生回答：“庫侖定律，適用于真空中的靜止點電荷。”
追問：“什么叫點電荷？它和質點有何相似之處？”
總結歸納：“點電荷是一種理想模型，當帶電體尺寸遠小于間距時方可使用，正如質點之于力學。”
二、升華情感，致敬科學精神。 （一）、講述庫侖的科研品格。
“在那個沒有精密電子儀器的時代，庫侖憑借一雙巧手和一顆縝密的心，用一根細銀絲、一面鏡子、一束光線，就把看不見摸不著的靜電力測量得如此精確。他的實驗設計之精妙，令人嘆為觀止。正如愛因斯坦所說：‘想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界，推動進步，是知識進化的源泉。’”
寄語學生：“希望你們也能像庫侖一樣，面對未知不退縮，勇于提出猜想，善于設計方法，用嚴謹的態度去探尋自然的奧秘。每一個偉大的發現，都始于一個敢于發問的大腦。” 1. 回顧庫侖定律的內容與條件。
2. 理解點電荷模型的意義。
3. 感悟科學家的探索精神。
4. 樹立尊重實驗、追求真理的價值觀。
評價任務 知識完整：☆☆☆
表達流暢：☆☆☆
情感投入：☆☆☆
設計意圖 采用互動問答方式引導學生自主總結，強化記憶鏈條。通過引用愛因斯坦名言與講述科學家故事，將知識學習上升至科學精神培育的高度，實現“三維目標”的有機融合。結尾寄語激勵學生傳承科學火種，體現物理教育的人文關懷與長遠價值。
當堂檢測
【4分鐘】 一、完成基礎達標練習。 （一）、發放紙質檢測卡，限時完成。
題目如下：
1. 真空中有兩個靜止的點電荷，它們之間的距離為r，靜電力為F。若將它們的距離增大到2r，則靜電力變為______。
2. 判斷下列說法是否正確（正確打√，錯誤打×）：
　(1) 庫侖定律適用于所有帶電體之間的相互作用。（　）
　(2) 點電荷是指體積很小的帶電體。（　）
　(3) 靜電力常量k的單位是N·m /C 。（　）
收齊檢測卡，隨機抽取幾份進行現場批閱與講解，及時反饋學習效果。 1. 獨立完成檢測題。
2. 自查答案，反思錯誤原因。
評價任務 公式應用：☆☆☆
概念辨析：☆☆☆
單位識別：☆☆☆
設計意圖 通過簡潔高效的當堂檢測，快速評估學生對核心概念的掌握程度，實現“教-學-評”一體化。選擇題與填空題結合，覆蓋重點與易錯點，便于教師即時診斷教學成效，調整后續教學策略。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 真空中有兩個點電荷A和B，相距0.3m，電荷量分別為+2×10 C和-4×10 C。求：
　(1) 它們之間的靜電力大小是多少？
　(2) 該力是引力還是斥力？
　(3) 若將它們的距離加倍，靜電力變為原來的幾分之一？
2. 下列哪種情況下，可以將帶電體視為點電荷？（多選）
　A. 半徑為1cm的金屬球，與其他帶電體相距10cm
　B. 半徑為1cm的金屬球，與其他帶電體相距2cm
　C. 研究原子核對外層電子的作用時，將原子核視為點電荷
　D. 研究帶電平行板電容器內部電場時，將極板上的電荷視為無數個點電荷
二、拓展探究題
查閱資料回答：
1. 實際生活中，空氣并非絕對真空。當兩個帶電體處于空氣中時，庫侖力是否會受到影響？為什么？
2. 舉例說明靜電現象在工業生產或日常生活中的兩種應用，并簡述其工作原理。
3. 思考：如果宇宙中存在“負質量”，那么萬有引力是否會像庫侖力一樣出現排斥？談談你的想法。
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 解：
　(1) F = k|Q Q |/r = (9×10 ) × |2×10 × (-4×10 )| / (0.3) = (9×10 ) × (8×10 ) / 0.09 = 7.2×10 / 0.09 = 0.8 N
　(2) 因為電荷異號，故為引力。
　(3) 距離加倍，r→2r，則F' = kQ Q /(2r) = F/4，即變為原來的1/4。
2. 正確選項：A、C、D
　解析：B項中距離僅2cm，與球半徑相當，不可忽略大小；A項距離遠大于尺寸，可視為點電荷；C、D為典型模型化處理。
二、拓展探究題
1. 會減小。因為空氣中含有微量離子和水分子，會部分中和電荷或形成局部導電通道，導致有效電荷減少，從而使庫侖力減弱。
2. 示例：
　① 靜電復印：利用光電導材料在光照下導電性的變化，配合靜電吸附墨粉實現圖像復制。
　② 靜電除塵：使煙氣通過高壓電場，粉塵帶電后被集塵極吸引而除去。
3. 開放性問題。提示：若負質量存在且滿足F = -Gm m /r ，則當m 與m 異號時會出現排斥。但這違背現有物理理論，目前尚無實驗證據支持負質量的存在。
板書設計
§1.2 庫侖定律
【左側】實驗探究 → 定律建立
扭秤實驗：
　F ∝ 1/r （θ ∝ F）
　F ∝ Q Q （平分電荷法）
↓
F = k Q Q / r
k = 9.0×10 N·m /C
【中部】核心要點
■ 條件：真空 + 靜止 + 點電荷
■ 點電荷：理想模型，r 尺寸
■ 矢量性：共線，滿足牛頓第三定律
【右側】對比延伸
萬有引力 F = G m m / r
區別：吸引/排斥、屏蔽性、數量級
實例：F電 F引（同尺度）
教學反思
成功之處
1. 以歷史情境與真實實驗雙線導入，有效激發了學生的學習興趣與探究欲望，課堂氛圍活躍。
2. 充分利用視頻資源還原扭秤實驗細節，并引導學生分析原始數據，較好地實現了“科學探究”素養的落地。
3. 通過與萬有引力的系統類比，幫助學生建立起結構性知識網絡，加深了對庫侖力本質的理解。
不足之處
1. 當堂檢測時間略顯緊張，部分學生未能充分思考，建議下次提前預留更充足的時間或采用在線答題工具實時統計。
2. 對“平分電荷法”的物理操作過程講解不夠深入，部分學生對其可行性存疑，今后可補充實物演示或動畫模擬。
3. 拓展題中關于“負質量”的設想雖具啟發性，但對部分基礎薄弱學生而言難度偏高，應分層設計作業以滿足不同需求。

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